[논문 리뷰] Current-induced Orbital and Spin Magnetizations in Crystals with Helical Structure

Taiki Yoda, Takehito Yokoyama외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 10.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 30인용 수 134

한 줄 요약

이 논문은 나선형 결정(예: Se 또는 Te의 양성자성 결정)에서 나선축을 따라 전류를 통과시킬 경우, 같은 축 방향으로 궤도 및 스핀 자화가 유도됨을 제안한다. 밀착 격자 모델을 사용하여 저자들은 전류에 의해 유도되는 스핀 자화가 라디얼 스핀 텍스처에서 기인함을 보여주며, 이는 라슈바 체계에서 관찰되는 횡방향 스핀 분극과 대조된다. 이 효과는 나선풍성이다: 오른손 나선과 왼손 나선은 반대 방향의 자화를 유도하며, 궤도 자화에 대해 스핀-오비트 결합이 필요 없이 소렌로이드의 거동을 모방한다.

ABSTRACT

We theoretically show that in a crystal with a helical lattice structure, orbital and spin magnetizations along a helical axis are induced by an electric current along the helical axis. We propose a simple tight-binding model for calculations, and the results can be generalized to any helical crystals. The induced magnetizations are opposite for right-handed and left-handed helices. The current-induced spin magnetization along the helical axis comes from a radial spin texture on the Fermi surface. This is in sharp contrast to Rashba systems where the induced spin magnetization is perpendicular to the applied current.

연구 동기 및 목표

• 전류가 나선축을 따라 흐를 경우, 양성자성 결정에서 축 방향 궤도 및 스핀 자화가 유도됨을 보여주기.
• 나선형 시스템에서 전류에 의한 스핀 자화의 기원을 라슈바 체계와 대비하여 설명하기.
• 거울 대칭과 역행 대칭이 없는 임의의 결정에 적용 가능한 일반적 프레임워크 수립하기.
• 유도된 자화가 나선풍성임을 보여주기—오른손 나선과 왼손 나선에서 자화의 부호가 반대됨—소렌로이드의 거동을 모방함.
• 궤도 자화가 스핀-오비트 결합 없이도 발생할 수 있음을 명확히 하기.

제안 방법

• 각 정점당 한 개의 오비탈을 가진 쌓인 허브로우 구조를 포함하는 3차원 밀착 격자 모델 개발.
• 이웃한 층의 동일한 서브격자 간의 나선풍성 힘을 도입하여, 역행 대칭과 거울 대칭을 깨며 오른손 및 왼손 나선을 구분함.
• 해밀토니안 H = t1∑⟨ij⟩c†icj + t2∑[ij]c†icj + ∆∑iξic†ici를 사용하며, t2 항은 나선풍성을 표현하고, ∆는 교대 잠재력임.
• 전기장이 z축(나선축) 방향으로 작용할 경우, 전류에 의한 자화를 계산하기 위해 반고전적 볼츠만 근사를 적용함.
• 공식 Morb = 2∑n∫BZ d3k/(2π)3 fnk [mnk + e/ℏ(εF−εnk)Ωnk] 를 사용하여 궤도 자화 계산. mnk 및 Ωnk 는 파동함수 곡률에서 유도됨.
• 스핀-오비트 결합을 포함하기 위해 모델을 확장하여 Hso 를 도입하고, 스핀에 의존하는 힘을 도입하여 전류에 의한 스핀 분극을 연구함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나선축을 따라 전류를 통과시킬 경우, 양성자성 결정에서 같은 축 방향으로 순수 자화가 유도될 수 있는가?
• RQ2 나선형 시스템에서 전류에 의한 스핀 자화의 기원은 무엇이며, 라슈바 체계와 어떻게 다를까?
• RQ3 수형성(오른손 vs. 왼손 나선)은 유도된 자화의 부호와 크기에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 스핀-오비트 결합이 없는 조건에서 전류에 의한 궤도 자화가 가능할 수 있는가?
• RQ5 이 효과는 거울 대칭과 역행 대칭이 없는 임의의 결정에 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 전류가 나선축을 따라 흐를 경우, 금속에서는 같은 축 방향으로 순수 궤도 자화가 유도되나, 영온도에서 밴드 절연체에서는 그렇지 않다.
• 유도된 궤도 자화가 동역학 공간에서 K–H 및 K′–H′ 선 상의 디라크 점 근처에서 크게 증폭됨.
• 전류에 의해 유도된 스핀 자화가 축 방향(전류와 평행)이 되며, 이는 라슈바 체계에서 관찰되는 횡방향 스핀 분극과는 달리, 피어미 표면의 라디얼 스핀 텍스처에서 기인함.
• 오른손 나선과 왼손 나선 사이에서 전류에 의한 자화의 부호가 반대가 되며, 이는 소렌로이드의 자기장 방향과 유사함.
• 스핀-오비트 결합 없이도 궤도 자화를 유도할 수 있으나, 스핀 자화를 유도하려면 필요함.
• 결과는 거울 대칭과 역행 대칭이 없는 임의의 결정에 일반화 가능하며, 이는 나선풍성 물질에서 스핀트로닉스 응용 가능성을 시사한다.